Nació el 7 de julio de 1861 en Cavendish, Vermont. Desde joven mostró un gran interés por la ciencia y la educación. Trabajó como maestra para poder financiar sus estudios y, años después, ingresó en el Westfield Normal School en Massachusetts. Posteriormente, estudió en la Universidad de Stanford, donde obtuvo su licenciatura y maestría en biología. Más tarde, completó su doctorado en la Universidad Bryn Mawr en 1903.
Stevens llevó a cabo investigaciones en citología y genética, especializándose en el estudio de los cromosomas. En 1905, mientras estudiaba el desarrollo de los escarabajos Tenebrio molitor, descubrió que los machos tenían un cromosoma más pequeño (Y) en comparación con las hembras, que tenían dos cromosomas X. Su trabajo demostró que el sexo de un organismo está determinado por los cromosomas y no por factores ambientales o nutricionales, como se creía en ese entonces.
Aunque Edmund Beecher Wilson hizo descubrimientos similares al mismo tiempo, la evidencia presentada por Stevens fue clara y detallada. Sin embargo, su trabajo no recibió el mismo reconocimiento debido a los prejuicios de género de la época.
A pesar de su corta carrera, Stevens dejó una marca importante en la genética. Sus estudios sentaron las bases para la teoría cromosómica de la herencia. Falleció el 4 de mayo de 1912 a los 50 años, debido a un cáncer de mama.
Hoy en día, Nettie Stevens es recordada como una pionera en la ciencia, cuyo trabajo ayudó a cambiar nuestra comprensión de la biología y la herencia genética.